[发明专利]混合式气隙和固态断路器

说明书

本发明涉及混合式气隙和固态断路器，具体地涉及用于配电系统的混合式气隙/固态装置保护装置(PD)，该混合式气隙/固态装置保护装置包括：气隙断连单元，该气隙断连单元与固态装置串联；感测和驱动电路；以及微控制器。在感测和驱动电路在PD的负载电路中检测到即将发生的故障或过高且不可接受的过压情况时，感测和驱动电路生成快速关断固态装置的选通信号。同时，微控制器为气隙断连单元生成断连脉冲，断连脉冲通过在负载电路中形成气隙来作出响应。关断的固态装置和气隙一起防止负载和关联的负载电路被损坏。它们还用于将故障或者过载情况的源与配电系统的其余部分电气隔离以及物理隔离。

本申请是原案申请号为201780014631.0的发明专利申请(国际申请号：PCT/US2017/019754，申请日：2017年2月27日，发明名称：混合式气隙和固态断路器及防止电路故障和过载的方法)的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年3月1日提交的美国临时专利申请第62/301,948号的权益。

技术领域

本公开涉及混合式气隙和固态断路器及防止电路故障和过载的方法。

背景技术

电断路器(electrical circuit breaker)用于配电系统中以防止电气负载和导体暴露于过流情况。通常，存在两种类型的过流情况：过载和故障。美国国家电气规范(NEC)将过载定义为：“超过正常的满载额定值的设备的操作或者当其坚持足够长的时间时超过额定载流量的导体的操作会造成损坏或者危险的过热”。与过载相比，故障通常会产生更高的过流，这取决于故障阻抗。没有阻抗的故障被称为“短路”或者“直接故障”。

传统断路器本质上是机械的。它们具有在发生故障或者长时间过流情况时会物理分离的电触点。通常使用弹簧机构、压缩空气、或者弹簧机构和压缩空气的组合来电磁地执行断开触点。

传统断路器的一个显著问题在于它们对故障的反应很慢。由于它们的机电结构，传统断路器通常需要至少几毫秒来隔离故障。反应时间较慢是不可取的，因为它会增加火灾隐患、对电气设备的损坏、甚至电弧闪光的风险，当没有足够快速地隔离短路或者直接故障时，这些情况便可能会发生。电弧闪光是产生短路情况的电导体的电爆炸。电弧闪光中释放出来的能量可以在电弧末端处产生超过35,000°F(或者20,000℃)的温度，导致金属导体快速蒸发，使熔融金属炸裂，并且会导致在极大力量下从事故点向外喷射的等离子体膨胀。因此，对于生命、财产和电气设备来说，电弧闪光显然是极其危险的。

除了隔离故障较慢之外，传统断路器存在高可变性。由于所涉及的磁性和机械设计的限制，机械断路器响应于故障或者长时间过流情况而跳闸所需的时间(以及此时的电流限制)在单个给定断路器中可能存在不同，并且在一个断路器与另一个断路器之间也可能存在不同，即使对于相同类型和相同额定值的断路器以及来自相同制造商的相同类型和额定值的断路器也可能存在不同。

由于传统断路器缺乏精度并且具有高度可变性，所以制造商通常会为他们制造并销售的每种类型和额定值的断路器提供时间-电流特性数据。特定类型和额定值的时间-电流特性数据通常以二维对数图的方式显示，诸如，图1所图示的，包括横轴上的电流、纵轴上的时间、保证断路器跳闸和不跳闸的时间-电流区域、以及断路器的跳闸状态不确定的不确定带。